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新的“长”碳纳米管在热塑性塑料、LSR中显露头角
发布日期:2018-10-10  来源:弗戈工业在线  浏览次数:529
 
   新型发丝状碳纳米管Miralon CNT与各种热塑性塑料和LSR等热固性塑料有着良好的结合,除具有耐受高辐射、高盐、高水分和强腐蚀的能力,以及优良的机械性能和导热性外,在非常低的用量下还提供导电性。
  一种新的碳纳米管(CNT)有望被热塑性塑料和热固性塑料包括液体硅橡胶(LSR)采用而应用于诸多潜在领域。据称,该碳纳米管与聚合物高度相容。Miralon CNT片材、纱和分散品级来自Nanocomp技术公司(美国新罕布什尔州梅里马克)。该公司成立于2004年并在2012年搬到原造纸厂一座较大的设施中。目前正处于试生产阶段,年产能约为0.85t。该公司正募集资金,计划到2018年扩产至8t,2021年产量可能超过20t。Nanocomp技术公司联合创始人、总裁和首席执行官Peter Antoinette预计其碳纳米管十分有潜力在现有塑料加工流程中被大规模使用。该产品采用乙醇和甲醇作为低成本原料,它们在气化炉反应器中超过800℃时气化,采用无氧纯氢气和铁作为催化剂。在这个气化炉中,化学气相沉积沉淀了十亿根碳纳米管,它们有两种独特的性能。
  首先,Miralon CNT通常有1~10mm长,但宽仅有3~5nm,形成约100万∶1的纵横比(长径比L/D)。与典型的碳纳米管(纵横比1000~10000∶1)相比,它们具有相似的厚度,但长度在?m范围内(1mm的1/1000)。高的纵横比被认为是相对于其他碳纳米管的一个优势,普通碳纳米管呈粉末状,并且据报道在加入树脂时,往往会结块。尽管Miralon CNT有大的L/D,但仍然是小到看不见,比头发丝细约10000倍,比标准的碳纤维细1000倍。
  第二个关键的不同是,不像粉末状的碳纳米管,生成的都是松散、单独的纤维,Miralon CNT往往在反应器中缠结、交织在一起;它们也容易粘在一起,形成一个复杂的网络。这使得更容易把它们从炉中收集出来并将其转换为连续纤维或片材。
 
  含有Miralon碳纳米管的复合物,其高导电率部分是因为像头发丝一样的纤维丝缠结在一起的效果
  Miralon CNT从炉中出来是一团缠结的碳纳米管,被称为“袜子”。它可以绕在卷筒上,形成一种毡,然后能被压实成一种非织造片材,该片材可以被切成带。另外,“袜子”可以被收集在一个喷丝头中,形成一种由数以百万计缠结的碳纳米管组成的连续纱线,每个碳纳米管只有几毫米长。
  
  在高温反应器中,乙醇被注入到氢气气氛中和铁催化剂一起,产生一种缠结的碳纳米管,类似连续的头发丝“袜子”
  Miralon CNT纱可用于复合材料中,片材可以制成预浸料或短切成直径约0.05mm、长约1mm的多孔管束。Nanocomp技术公司提供短切的“分散产品”,根据要求可以是“干浆”或是定制色母粒。短切的Miralon CNT可用于热塑性塑料注塑或模压成型、LSR注塑成型,也可复合成3D打印长丝。Nanocomp技术公司目前有13条生产线,6条用于纤维,7条用于片材生产。
  该公司表示,毫米级长度的Miralon碳纳米管已被美国环保署归类为“物品”而不是“颗粒”,它们不同于碳纳米管粉末或松散的管状物。据Nanocomp技术公司称,这意味着它们太大了,而不会被皮肤吸入或吸收。
  Miralon碳纳米管的性能
  目前这一代的Miralon CNT纱具有0.8~1GPa的拉伸强度,而对于开发中的新一代产品,这一数值将增加一倍。Miralon CNT纱的断裂应变为3.5%。目前的碳纳米管的密度为0.8g/cm3,约是碳纤维的一半。因此,目前该材料的比拉伸强度(单位质量的强度)是航空级碳纤维或芳纶纤维的一半左右。但是新一代产品可以匹敌或超过它们。
  目前的一些碳纳米管被用在一种复合材料中时,已符合或接近于航空碳纤维如IM7和T1000的断裂应变。这些纤维本身强度可能会更大,但是当用于复合材料中时,会遭受大幅的“性能降低”。Antoinette称,Miralon CNT不会遭受这样的性能降低。他说,美国宇航局(NASA)已经用Miralon CNT生产热固性复合材料,其比强度是碳纤维复合材料的两倍。而且,据Antoinette称,Miralon CNT增强热塑性塑料可保留高达98%的纤维原始断裂应变。这是因为Miralon CNT与各种热塑性树脂有着良好的结合。
  更重要的是,Miralon CNT纱非常有弹性,当扎成一个结时有较高的强度保持率,这与碳纤维不同。由于具有网络结构,它也有着非常高的表面积,可用于粘接树脂和/或传递热或电。其柔韧性/延展性在柔软的防弹衣中也很有价值,据报道,即使在低温下也不会发生疲劳断裂。Miralon碳纳米管还具有耐受高辐射、高盐、高水分和强腐蚀的能力。
  导热性和导电性也是Miralon碳纳米管的优异性能。据Antoinette称,0.02%~0.05%的Miralon CNT可以提供静电耗散(ESD)性能。在一个胶粘剂应用中,Antoinette表示,它可以与0.15%的石墨烯或10%的碳纤维提供的ESD保护性能相媲美。仅5%的Miralon CNT或单层的、30~50?m厚的Miralon CNT片材就可以提供电磁干扰(EMI)屏蔽。
  Antoinette称,Miralon CNT的热导率会博得赞誉,把焊炬火焰对准复合材料片材,Miralon碳纳米管纤维散热很快,足以使片材抵抗熔融或燃烧。Miralon CNT还是一个红外线发射器。Antoinette对此用连接到电源上的Miralon CNT片材进行演示:手放在距离片材几厘米的地方几乎立即感觉到发出的温暖,但是触摸片材本身几乎没有热的感觉。
  使用的场合
  采用Miralon CNT的热固性复合材料(环氧和氰酸酯)已被批准用于航空航天应用。Miralon CNT片材被用在Juno飞船推进器和引擎盖上的一种复合材料辐射/静电耗散(ESD)屏蔽和电磁干扰防护层中。该飞船在2016年7月曾到达木星。
  正在飞行的一艘飞船所用的一款支架是由含有分散Miralon CNT的ABS丝束3D打印而成。Antoinette说道,热塑性蜂窝已能采用Miralon CNT进行3D打印,3D打印丝束也能制备用来封装连续的碳纳米管纤维。
  Nanocomp技术公司正与许多热塑性塑料配混公司合作(包括克利夫兰的HyComp有限公司),使用聚醚醚酮等树脂开发含有Miralon碳纳米管的热塑性复合物。一种含有分散Miralon CNT的压缩成型Ultem PEI支架目前已被用在太空卫星的运载火箭上。Antoinette称,西门子和不同的汽车公司正在研发含有Miralon CNT的注塑成型和压缩成型热塑性塑料部件。碳纳米管片材也已用熔融己内酰胺进行灌注,通过原位聚合生产尼龙6复合材料。
  
  Miralon CNT分散在各种热塑性塑料中形成的粒料可以被注塑或模压成型
  鉴于0.5%的分散Miralon CNT可以增加LSR的耐热性达100℃,Antoinette称其公司也将开发Miralon CNT的LSR应用。
  在目前的试生产阶段,Miralon CNT的估价是每磅几千美元。随着生产规模的扩大,Antoinette预见在未来4~6年内,成本会下降一个数量级。
 
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